Akčný plán

Ústavu materiálového výskumu

Slovenskej akadémie vied

Košice, september 2017

 

 

Zhrnutie:

  1. Doposiaľ uplatňované opatrenia
  • Reštrukturalizácia ústavu v r. 2015-2016
  • Pravidelné komplexné hodnotenie pracovníkov
  • Motivácia, výchova nastupujúcej generácie vedeckých pracovníkov
  1. Stratégia budovania ústavu

Odborne sa bude záujem ústavu obracať k moderným materiálom s vysokou pridanou hodnotou (High-tech materiály pre Priemysel 4.0) v súlade s výskumnou a  inovačnou stratégiou Slovenskej republiky RIS3 SK

Kľúčové triedy materiálov:

  • materiály pre automobilový priemysel, elektrické a hybridné motory, uskladnenie a využívanie vodíka,
  • keramické kompozity s uhlíkovými alotrópmi a iné keramické materiály pre použitie v extrémnych podmienkach,
  • ochranné a funkčné povlaky, inteligentné vlákna
  • funkčné hybridné materiály – moderné multi-škálové mikro/nano práškové kompozity (progresívne metódy spracovania zhutňovania, SPS, MWS, micro-MIM, aditívna výroba, atď),
  • biomedicínske materiály (biodegradovateľné materiály na kovovej báze, biokeramické/biopolymérne povlaky nanesené na kovových biomateriáloch).

Kľúčové typy projektov

  • projekty strategického významu pre SR
  • Projekty dlhodobej spolupráce s priemyslom
  • medzinárodné projekty (H2020, European Research Area, European Space Agency, ERC,…)
  1. Metódy pre dosiahnutie žiadaných výsledkov
  • analýza stavu, identifikácia a implementácia efektívnych opatrení pre budúci rozvoj,
  • zníženie administratívnej záťaže vedeckých pracovníkov,
  • posilnenie pozície ÚMV SAV v celo-európskom meradle prostredníctvom zapojenia do Európskych medzinárodných projektov (Horizont 2020, prjekty ERA, schémy ESA, atď), silné kolaborácie,
  • získavanie a aplikovanie skúseností od partnerov doma ale najmä zo zahraničia – vytvorenie medzinárodného poradného výboru ústavu,
  • posilnenie motivácie kvalitných publikácií a inovácií.

Akčný plán Ústavu materiálového výskumu SAV

v zmysle téz schválených Predsedníctvom SAV dňa 11.5.2017

Misia Ústavu materiálového výskumu SAV

Hlavnou úlohou ústavu je vykonávať základný a aplikovaný výskum vrátane vývoja a testovania nových materiálov a technológií, výučba a vzdelávanie doktorandov a vysokoškolských študentov v oblasti materiálových vied a inžinierstva, ako aj vývoj nových metód a noriem skúšania a charakterizácie materiálov. Cieľom je prispieť k základnému poznaniu v materiálových vedách ale aj k aplikačnému potenciálu a inováciám využiteľným v priemyselnej praxi, predovšetkým pri zlepšovaní výkonnosti a konkurencieschopnosti slovenských priemyselných podnikov.

Predkladaný Akčný plán sumarizuje zámery a metódy, uplatňovanie ktorých má viesť k lepšiemu naplneniu tejto misie.

  1. Zvyšovanie kvality výstupov výskumu

Analýza súčasného stavu: ÚMV SAV má vypracovaný systém hodnotenia výstupov pracovníkov, ktorý už dlhodobo striktne uplatňuje pri koncoročnom hodnotení pracovníkov aj pri periodických atestáciách. Dopad hodnotenia sa prejavil na zvyšujúcej sa výkonnosti tvorivých pracovníkov ústavu. V posledných dvoch-troch rokoch je publikačná kapacita v podstate saturovaná (1,3 impaktovanej publikácie na FTE, 0,9 CC publikácie na FTE). Do budúcna je potrebné sa zamerať na zvyšovanie kvality (zameranie sa na publikácie s vyšším impakt faktorom) a citovanosti (sústrediť sa na hodnotnejšie časopisy, podporovať perspektívne a moderné smery výskumu). Tento trend už započal, citovanosť prác a pracovníkov  sa v posledných rokoch stabilne zvyšuje (citácie WoS + Scopus: 2009: 3,5 citácie/FTE, 2016: 12,5 citácie/FTE).

  • Model hodnotenia publikačných výstupov jednotlivcov: ÚMV SAV má vypracovanú smernicu hodnotenia vedeckých a odborných pracovníkov, ktorá zohľadňuje publikácie podľa IF, monografie, a citačný ohlas. Bodové ohodnotenie jednotlivých kategórií sa podľa potreby na odporúčanie VR a po jej schválení upravuje a inovuje. (Aktuálne znenie smernice bolo novelizované v máji 2017). Tento model hodnotenia umožňuje diferencovanosť v odmeňovaní pracovníkov ústavu.
  • S tým súvisí smernica o odmeňovaní, ktorá berie do úvahy komplexne aktivitu pracovníkov a zahŕňa odmeňovanie za publikačnú činnosť, citačné ohlasy, inovačné aktivity, pedagogické aktivity, kontraktový výskum, rozvoj duševného vlastníctva, popularizačnú činnosť, projektové aktivity, ako aj budovanie ústavu. V prípade publikácií je pri odmeňovaní braný do úvahy impakt faktor časopisu. Dopad tejto smernice sa takisto pravidelne reviduje a smernica sa podľa potreby po prerokovaní vo Vedeckej rade inovuje (posledná novelizácia v máji 2017).
  1. Zvyšovanie kvality doktorandského štúdia

Analýza súčasného stavu: ÚMV SAV je externou vzdelávacou inštitúciou, ktorá mala do r. 2016 jeden akreditovaný študijný program doktorandského štúdia (v spolupráci s FMMR TUKE). V roku 2017 bol úspešne akreditovaný druhý študijný program (v spolupráci s PF UPJŠ). Ústav má aktuálne 16 potenciálnych školiteľov. S tým súvisí kvóta na prijímanie nových doktorandov – dvaja ročne. Napriek tomu ústav pomerne často prijíma viac doktorandov než určuje kvóta (v roku 2017 piatich) s cieľom pokryť výskumné úlohy. Preto ÚMV aj aktívne vyhľadáva potenciálnych doktorandov, avšak počet končiacich študentov vhodných odborov stále klesá. Do budúcna bude potrebné zvýšiť počet doktorandov z oblastí mimo regiónu východného Slovenska ale najmä z tretích krajín. Pre skvalitnenie doktorandského štúdia bude potrebné:

  • Vypracovať interné kritériá organizácie SAV pre výber školiteľov, podmienkou je aktívna a kvalitná publikačná činnosť a existencia projektu, v rámci ktorého sa PhD štúdium realizuje.
  • Venovať pozornosť témam doktorandských prác z hľadiska obsahu a experimentálneho zabezpečenia – témy doktorandského štúdia sa konzultujú a schvaľujú vo vedení ÚMV, ako aj v odborovej komisii.
  • Výsledky doktorandov a stav doktorandského štúdia v organizácii pravidelne vyhodnocovať. ÚMV SAV organizuje minimálne raz ročne Deň doktorandov, kde všetci doktorandi pred plénom ústavu prezentujú výsledky svojej práce. Program dňa má súťažný charakter, víťazi súťaže sú ohodnotení aj finančnou odmenou. Výstupy doktorandov sú zároveň zahrnuté rovnako do pravidelného ročného hodnotenia tvorivých pracovníkov (interná smernica o hodnotení) a odmeňované v súlade s internými predpismi (interná smernica o odmenách).
  • Zlepšiť internacionalizáciu DŠ: V spolupráci s relevantnými zahraničnými inštitúciami sa ÚMV bude usilovať o uzatvorenie dohôd so zahraničnými partnermi, ktoré by umožnili realizáciu duálneho doktorandského štúdia, kde by mal doktorand slovenského, ako aj zahraničného školiteľa a získal by titul PhD. zo slovenskej i zahraničnej univerzity (cotutelle de thése).
  • Zvyšovať podiel zahraničných doktorandov, umožniť stáže našich doktorandov v prestížnych laboratóriách a recipročne umožniť stáže zahraničných doktorandov na ústavoch SAV v nadväznosti na uzavreté dohody o spolupráci SAV s kvalitnými univerzitami (napr. Singapure, Taiwan, Čína). ÚMV vstupuje v súčasnom období do jednaní o takejto spolupráci s univerzitami v Číne, v roku 2018 očakávame formálne nadviazanie tejto spolupráce.
  • Interným predpisom budú stanovené podmienky, kedy môže PhD študent pristúpiť k obhajobe (počet a typ publikácií, a pod). Tieto podmienky budú presahovať požiadavky príslušnej fakulty.
  • ÚMV SAV má od r. 2017 akreditovaný druhý študijný program. Do budúcna je zámer motivovať viac vedeckých pracovníkov k zvyšovaniu kvalifikácie tak, aby bolo možné zvýšiť počet potenciálnych garantov a školiteľov, a následne zvýšiť počet doktorandov, prípadne akreditovaných študijných programov.
  • Podporovať externé doktorandské štúdium, podľa možností spomedzi odborníkov z priemyselnej praxe.
  1. Kariérny rast postdoktorandov a výskumníkov

Analýza súčasného stavu: Aktuálne je extrémne problematické prijať do zamestnania na „stabilnú“ pozíciu perspektívneho pracovníka po skončení doktorandského štúdia, prípadne mladého záujemcu o miesto. V podstate je to možné len pri odchode iného pracovníka do dôchodku. Prax je taká, že perspektívny mladý pracovník dostane krátkodobú zmluvu a obvykle sa v priebehu roka hľadajú prostriedky z externých zdrojov (projekty, granty, Schwartzovo štipendium). Pravidelné hodnotenie a odmeňovanie sa vzťahuje aj na týchto zamestnancov, čím sú motivovaní k zvyšovaniu svojej výkonnosti.

3.1. V blízkej budúcnosti budú definované podmienky zamestnávania a kariérneho rastu postdoktorandov, ktoré budú obsahovať zásady a špecifikovať požadované kritériá, ktoré musia postdoktorandi plniť. V priebehu roka 2018 bude pripravená interná smernica pre post-dokov na krátkodobú internú stáž na ÚMV SAV (napr. formou krátkodobého interného grantu) so špecifickými kritériami zameranými na potreby pracoviska resp. kariérny rast uchádzača

3.2. V roku 2018 bude vypracovaný program pre podporu uchádzačov o DrSc spolu s motivačnými zásadami zvyšovania kvalifikácie.

  1. Zvyšovanie úspešnosti ÚMV SAV v programoch ERA osobitne Horizon 2020

Analýza súčasného stavu: ÚMV bol v minulom programovacom období úspešný v získavaní prostriedkov na investície a výrazne podporil rast svojim výskumných a experimentálnych kapacít. Tento fakt sa prejavil aj v badateľnom skvalitnení výskumu, (publikované výsledky zaznamenali zjavný nárast citovanosti, viď Bod 1.). V súčasnosti však najväčšou výzvou zostáva udržateľnosť výskumu ako aj prostej prevádzkyschopnosti výskumnej infraštruktúry. Komplikované legislatívne pravidlá a enormná administratívna záťaž odčerpávajú potrebné prostriedky. Najschodnejšou cestou ako zabezpečiť  ďalšie fungovanie je získavanie prostriedkov z programov ERA, Horizon 2020 a pod. Žiaľ, doterajšia úspešnosť ústavu, napriek vynaloženej snahe, zďaleka nedosahuje potreby. Pre zlepšenie situácie bude treba:

4.1. Iniciovať podávanie projektov ERC, osobitne v kategórii starting a consolidator grant, identifikovať potenciálnych podávateľov a pracovať s nimi.

4.2. Stimulovať aktivity v podávaní projektov v programoch ERA, Horizon 2020 a pod – bude spracovaný program na podporu a odmeňovanie uchádzačov o tieto typy projektov.

4.3. Budovanie Útvaru projektovej podpory – podpora uchádzačov o medzinárodné projekty, zníženie administratívnej záťaže vedeckých a tvorivých pracovníkov.

  1. Manažment ústavu, získavanie a aplikovanie skúseností od popredných zahraničných odborníkov

Analýza súčasného stavu: Rozbor fungovania ústavu ako aj predchádzajúce akreditácie poukázali na rezervy v organizácii a riadení ústavu. Preto bola v roku 2015 pripravená reštrukturalizácia ústavu, ktorá vstúpila do platnosti 1.1.2016. Počet vedeckých oddelení sa znížil a vytvorili sa nové útvary pre podporu projektov a transfer inovácií. V súvislosti s nadchádzajúcou transformáciou na v.v.i. ako aj na základe odporúčaní hodnotiaceho panelu plánujeme urobiť doplnky do existujúcej organizačnej štruktúry.

5.1. Vytvoriť nezávislý Medzinárodný poradný výbor ústavu, pravdepodobne v spolupráci s ďalšími príbuznými ústavmi SAV v Košiciach, od členov ktorého sa bude očakávať aktívny prístup pri usmerňovaní zamerania ústavu. Mali by radiť pri vypracúvaní stratégie rozvoja, pri uchádzaní sa o zahraničné projekty, pomôcť pri nadväzovaní vhodných a potrebných kontaktov a pod.

5.2. V súvislosti s transformáciou na v.v.i bude prepracovaný štatút Vedeckej rady. Z hľadiska manažmentu bude nový štatút Vedeckej rady akcentovať aktívnejšie prizývanie odborníkov z priemyslu a iných odberateľov výskumu.

5.3. Rozvíjať multidisciplinárny výskum v spolupráci s inými vedeckými organizáciami SAV a mimo SAV.

  1. Nakladanie s duševným vlastníctvom

6.1. Pripraviť pravidlá pre nakladanie s duševným vlastníctvom (patenty a pod.). ÚMV SAV bude analyzovať a v prípade potreby v priebehu roku 2018 novelizovať existujúcu smernicu o nakladaní s duševným vlastníctvom (patenty a pod.)

  1. Financovanie a riadenie výskumných infraštruktúr

7.1. Realizovať pravidelný audit využitia výskumnej infraštruktúry získanej za ostatných 10 rokov a odstrániť zistené nedostatky.

7.2. Laboratóriá s významnejšími zariadeniami budú mať na webstránke zverejnené informácie o možnom použití pre vonkajších záujemcov tak zo SAV, ako aj mimo SAV.

  1. Strategický plán organizácie.

Ústav materiálového výskumu SAV bude v uvedenom období realizovať svoje strategické vedecko-výskumné aktivity v širokom spektre tematických oblastí výskumu a vývoja progresívnych materiálov v rámci domácich aj medzinárodných projektov samostatne, ako aj v spolupráci s partnermi z akademického a/alebo priemyselného prostredia, s aktívnym zapojením študentov doktorandského štúdia. Hlavné strategické vedecko-výskumné smery pre plánované obdobie sú nasledovné:

8.1. Kovové materiály

  • Vývoj vysokopevných bezkremíkových ocelí pre automobilový priemysel

Výskum bude zameraný na vývoj ultra-vysokopevnej bezkremíkovej nízkouhlíkovej dvojfázovej ocele s ťahovou pevnosťou nad 1100 MPa, tvárniteľnej za studena, určenej primárne pre automobilový priemysel. Cieľom bude vyvinúť oceľ s ultrajemnou feriticko-martenzitickou mikroštruktúrou spevnenou nano-precipitátmi, ktorá v porovnaní so súčasne existujúcimi akosťami bude okrem dobrej zvariteľnosti a bezproblémového nanášania Zn-ochranných povlakov, vykazovať tiež vyššiu únavovú odolnosť, lepšie krehkolomové vlastnosti a vysokú odolnosť voči vodíkovému krehnutiu. Súčasťou tohto výskumu bude aj vývoj nových skúšobných metód zameraných na štúdium lokálnych vlastností materiálov. (aktuálny projekt: VEGA 2/0176/15, spolupráca: US Steel Košice).

  • Gradientné materiály pre strojárske aplikácie

Výskumné aktivity budú zamerané na identifikáciu a testovanie možností znižovania opotrebenia a zvyšovania technologickej životnosti inovatívnych gradientných materiálových systémov typu povlak/substrát, návar/substrát a podobne. Oblasti výskumu budú zamerané na materiálové riešenia častí foriem pre tlakové liatie Al-zliatin, častí tvárniacich a obrábacích nástrojov a nástrojov pre tlakové spájanie plechov. (aktuálne projekty: APVV-14-0834, APVV-16-0194, APVV-16-0359, spolupráca: MOPSPRESS, ZVS Dubnica nad Váhom, ELBA a.s. Kremnica).

  • Vývoj vysokopevných elektrotechnických ocelí pre trakčné pohony elektromobilov

Výskum sa bude zameriavať na mikroštruktúrny a subštruktúrny dizajn vysokopevných elektrotechnických ocelí určených pre rotory a statory trakčných motorov elektromobilov a áut s hybridným pohonom. V rámci predkladaného projektu bude výskum zameraný na návrh a prípravu vysokopevných dynamo ocelí s dobrými pevnostnými a zároveň aj magnetickými vlastnosťami. (aktuálne projekty: VEGA 2/0120/15, APVV-15-0259, COST MP1401, MAD SK-CZ, spolupráca: UPJŠ, Košice, SR, FÚ SAV, Bratislava, SR, U.S. Steel Košice s.r.o., SR EMBRACO Slovakia s.r.o., IMT Ljubljana, Slovenia, CSM, Terni, Italy, ÚFE AVČR, v.v.i., Praha, ČR).

  • Modifikácia povrchových štruktúr progresívnych materiálov pomocou pokročilých laserových technológií

Táto tematika bude zameraná na analýzu  modifikácie mikroštruktúry progresívnych (nástrojových) ocelí aplikáciou konvenčného tepelného spracovania v kombinácii s následným laserovým tepelným spracovaním tak, aby boli zlepšené parametre vlastností povrchových vrstiev v porovnaní s konvenčným postupom. (aktuálne projekty: VEGA 2/0083/16, MAD SK-UA, spolupráca: TUKE, SPINEA s.r.o., IMP NASU, Kyiv, Ukraine)

  • Moderné žiarupevné ocele a zvarové spoje pre energetické kotly s vysokou účinnosťou

Výskumné aktivity budú zamerané na štúdium mikroštruktúrnej a subštruktúrnej podmienenosti mechanických vlastností a creepovej odolnosti progresívnych žiarupevných ocelí a ich zvarových spojov pre konštrukciu vysokoúčinných kotlových jednotiek moderných tepelných elektrární. V podmienkach termálneho, mechanického a environmentálneho namáhania budú skúmané mechanizmy degradácie štruktúry, pevnostných a krehkolomových vlastností tak základných materiálov ako aj zvarových spojov predmetných ocelí progresívnych kotlových akostí. V uvedenom kontexte budú skúmané aj možnosti predikcie, resp. predĺženia ich životnosti. (aktuálne projekty: VEGA 2/0151/16 a VEGA 2/0153/15, spolupráca: ÚFM AVČR, Brno, ČR)

  • Termodynamické modelovanie zliatinových systémov

Existujúce termodynamické databázy pre systémy s bórom sú v súčasnosti neúplné (chýbajú tam niektoré fázy, prípadne celé ternárne  systémy) a sú platné väčšinou len pre stopové množstvá bóru. Podobne je to aj v oblasti komplexných kovových zliatin (napr. systémy Al-Pd-Mo, Al-Pd-Mo, Ga-Co-Cu, Zn-Co-Cu…), kde je veľmi málo informácií aj o binárnych systémoch. Budúci výskum bude preto zameraný hlavne na: vývoj termodynamických databáz pre modelovanie ternárnych systémov s bórom, vývoj termodynamických databáz pre modelovanie komplexných kovových zliatin, extrapolácia termodynamických výpočtov pre polykomponentné zliatinové systémy. (aktuálne projekty: VEGA 2/0153/15 a APVV-15-0049, spolupráca: ÚFM AVČR, Brno, ČR, Uni Wien Austria)

  • Nanokompozitné materiály na báze Mg zliatin

Predmetom výskumu bude v spolupráci s NTU Taipei, Taiwan vývoj a skúmanie vlastností nanomateriálovych sústav na báze Mg pripravených metódou intenzívnych plastických deformácií, spevnených nanočasticami Al2O3, SiC a uhlíkových nanotrubíc. Náš hlavný prínos bude v analýze mikromechanizmov porušovania vo vzťahu k mikroštruktúre a základným mechanickým a technologickým vlastnostiam. Budú tiež hodnotené tribologické parametre, creepové charakteristiky, lokálne mechanické vlastnosti fáz, ako aj kinetika a mechanizmus superplasticity. Ďalej sa bude skúmať aj správanie jednotlivých kompozitných materiálov po ovplyvnení povrchu laserovým žiarením a stanovenie optimálnych parametrov laserového lúča. Cieľom bude analyzovať mechanické, oteruvzdorné a korózne vlastnosti materiálov vo vzťahu ku morfológii a ich mikroštruktúrnym zmenám vyvolaných laserovou modifikáciou. (aktuálny projekt: VEGA 2/0080/17, spolupráca: TUKE, Košice, ÚFM, AV ČR, Brno, ČR, NTU, Taipei, Taiwan)

  • Nanokryštalické kovové materiály pripravené pomocou práškovej metalurgie

Disperzne spevnené kompozity s nanokryštalickou matricou na báze Cu a Al s nanočasticami oxidov predstavujú sľubné vysokopevné, teplotne stabilné zliatiny s výhodnými fyzikálnymi vlastnosťami. Cieľom realizovaného výskumu je príprava týchto materiálov progresívnymi práškovými technológiami a ich komplexná charakterizácia. (aktuálny projekt: VEGA 2/0021/16, spolupráca: TUKE, Katedra fyziky nízkých teplot MFF UK)

  • Biokompatibilné, biodegradovateľné zliatiny

Zliatiny Ca-Mg, Ca-Zn, Ca-Al, Ca-Cu, ako aj ternárne zliatiny typu Ca-Mg-Zn a Ca-Mg-Cu sa vyznačujú najnižšou mernou hmotnosťou (~2000 kg.m-1 spomedzi doteraz známych kovových skiel. Ich modul pružnosti (~20-35 GPa) je blízky hodnotám pružnosti ľudských kostí. Z pohľadu ich možného využitia v medicíne je veľmi dôležité, že sústavy typu Ca-Mg, Ca-Zn a Ca-Mg-Zn pozostávajú výhradne z biodegradovateľných kovov. (aktuálny projekt: VEGA 2/0021/16, spolupráca: TUKE, PF UPJŠ, Maďarská akadémia vied, Diamond Light source UK)

  • Materiály určené na uskladňovanie vodíka

Pri súčasnom rozvoji automobilového priemyslu a možnej aplikácie vodíka ako paliva, je kľúčovou podmienkou zvýšenie efektívnosti jeho uskladňovania. Cieľom súčasného výskumu je návrh, príprava a komplexná charakterizácia nových metalhydridových zliatin pripravených hlavne metódou rýchleho ochladzovania. (aktuálny projekt: APVV-15-0202, spolupráca: TUKE, HSH Group s.r.o.)

  • Vývoj materiálov bezolovnatých pájok

Vývoj nových typov bezolovnatých spájok na báze Sn s vyšším podielom intermetalických fáz je perspektívny pre potreby realizácie kvalitných spojov výkonovej elektroniky s vynikajúcou spoľahlivosťou a dlhodobou životnosťou v podmienkach termomechanického namáhania. (aktuálny projekt: APVV-14-0085, FEI TUKE, SEMIKRON, s.r.o., Magneti Marelli Slovakia, s.r.o)

  • Vývoj nových termoelektrických materiálov

Termoelektrické materiály sú schopné efektívne transformovať prebytočné teplo Zeme, resp. stratové teplo z priemyselnej produkcie do podoby elektrickej energie. Výskum v tejto oblasti bude vedený v oblasti vývoja a výskumu materiálov s komplexnou kovovou alebo kovovo-oxidickou štruktúrou. Tento výskum plánujeme realizovať s podporou medzinárodných projektov vo výzvach Horizont 2020, ESA (European Space Agency) ako aj M-ERA.NET.

  • Výbuchom zvárané materiály pre geotermálne aplikácie

Výskum bimetalických prípadne viacvrstvových materiálov pripravených procesom výbuchového zvárania. Úlohou ÚMV SAV bude prednostne hodnotiť podiel vnútorných napätí v takto pripravenom ako aj tepelným spracovaním zrelaxovanom materiále.

(aktuálny projekt: M-Era.Net “ExploGuard“, plánovaný: Horizont 2020, spolupráca: Polytechnika Waršava, Explomet ICI Island Islandské energetické spoločnosti Polskiej Akademii Nauk w Krakowie)

8.2. Keramické a nekovové materiály

Akčný plán Divízie keramických a nekovových materiálov vychádza z misie divízie, ktorým je realizácia špičkového základného a aplikovaného výskumu v oblasti moderných konštrukčných a funkčných monolitických, kompozitných a nanokompozitných keramických a biokeramických materiálov a tenkých povlakov s cieľom získať originálne vedecké poznatky so zameraním na vývoj a inovácie technológií ich prípravy a zlepšenie ich úžitkových vlastností pre potenciálne aplikácie v rôznych oblastiach hospodárstva.

V súčasnosti je výskum konštrukčných keramík na ÚMV SAV zameraný na nové a moderné multikomponentné keramické mikrokompozity, ale predovšetkým na nano-kompozity, kde kombinovaním mikro- a nanometrických fáz s veľmi odlišnými parametrami je možné dosiahnuť výrazne lepších vlastností prípadne ich lepšiu kontrolu. Existuje veľa materiálových systémov založených na známzch nitridoch, karbidoch, oxidoch prípadne boridoch, dopovaných množstvom často dosť exotických aditív, ako napr. Hf, Lu, nano SiC, ZrO2, ale aj kombináciami tradičných aditív ako Si, C, B, atď. Veľmi atraktívnymi a silne akcentovanými sú materiály založené na alotrópnych modifikáciách uhlíka – od prostej sadze cez grafén, viacvrstvové grafénové platničky, nanotrubičky, až k amorfným (prípadne tetragonálnym a H stabilizovaným) diamantu podobným fázam (DLC) pre tenké povlaky a vrstvy. Iným smerom je výskum výroby a vlastností nových, dodnes menej známych systémov, ako napr. HfB2, ReB2, SmB6, B6O, atď, ktoré môžu byť veľmi zaujímavé pre ultravysoko teplotné aplikácie, rpípadne pre iné funkčné charakteristiky.

Tieto úlohy boli doteraz napĺňané v štyroch základných oblastiach:

  • Masívne kompozitné a nanokompozitné keramické materiály s prídavkami na báze allotrópnych modifikácií uhlíka (grafén, uhlíkové nanotrubice, grafit, a pod.);
  • Keramické nanovlákna pre kompozitné materiály;
  • Hutné a pórovité keramické materiály pre biologické aplikácie;
  • Tvrdé PVD povlaky s kontrolovanými tribologickými vlastnostami pripravované pulzným ionizovaným naprašovaním.

Základným prístupom pri riešení vo všetkých 4 oblastiach je detailné skúmanie vzťahov v trojuholníku “technológia – mikroštruktúra – vlastnosti”, v ktorom bolo v poslednom období vďaka nákupu novej techniky z projektov ŠF výrazne posilnená pozícia technológie a zlepšené podmienky na sledovanie mikroštruktúry a niektorých typov vlastností, najmä na nano-úrovni. Vedecké aktivity sa realizujú v kooperácii s ÚACH SAV, Bratislava, TnUAD Trenčín, FMFI UK Bratislava, MTF STU Bratislava, TU Brno, ELTE Budapešť, QMUL Londýn, AGH UST Kraków, Polytechnika Lodzska, Lodz, MU Leoben, a mnohými ďalšími.

Plán rozvoja divízie predpokladá, že hlavné princípy prístupu k riešeniu úloh výskumu a vývoja ako aj vyššie definované hlavné oblasti budú v období 2017-2020 zachované a kvalitatívne aj rozvíjané v nadväznosti na daľší rozvoj infraštruktúry v druhom kole projektov zo Štrukturálnych fondov a na rozvoj personálneho obsadenia. Aktivity potrebné pre naplnenie takejto vízie odrážajú na jednej strane očakávania vývoja výskumu a vývoja v jednotlivých oblastiach v nasledujúcom období a na druhej strane podmieňujú a sú podmienené rozvojom infraštuktúry existujúcej na ÚMV SAV.

Podľa predikcií vývoja je očakávané posilnenie úlohy nanomateriálov, vrátane grafénov, silné aktivity v oblasti ultravysokoteplotných materiálov, materiálov pre biologické aplikácie, pre energetické a strojárske aplikácie s cieľom znížiť spotrebu elektrickej energie, jej straty, zvýšiť účinnosť uchovávania energie aj efektívnosti jej premeny v energetických a strojárenských aplikáciách. To si bude vyžadovať výskum nových typov materiálov so špeciálnou mikroštruktúrou, najmä “nano”, materiálov s neštandardným zložením, najmä na báze prvkov vzácnych zemín a vysokoteplotných prvkov pre ultravysokoteplotné aplikácie, multikomponentné materiály kombinujúce vďaka tomu dostatočne rozdielne a často aj protichodné vlastnosti, napr. tvrdosť a húževnatosť, príp. nízke trenie a vysoká oxidačná odolnosť, materiály s veľkým aktívnym povrchom pre rôzne katalytické a biologické aplikácie. Potreby výskumu v týchto oblastiach si vyžadujú posilnenie technologickej, aj analytickej oblasti ako aj oblasti merania zodpovedajúceho spektra vlastností jednotlivých typov materiálov.

Táto vízia je v súlade s globálnymi potrebami a súčasne predpokladá, že sa udržia a ďalej rozvinú hlavné princípy kvalitatívneho prístupu k riešeniu úloh výskumu a vývoja spolu s rozvojom infraštruktúry a personálneho budovania v nastávajúcom programovacom období.

Vývoj v strategických smeroch bude vyžadovať intenzívny vývoj zmienených typov materiálov. Potreby v týchto oblastiach vyžadujú posilnenie technických a analytických schopností, ako aj metód merania zodpovedajúcich materiálových vlastností. V oblasti SPS technológií je potrebné doplnenie jednotlivých technologických uzlov prípravy, predúpravy a kontroly práškov, v iPVD technológiách je potrebné doplnenie zariadení o systém na nanášanie mnohokomponentných povlakov a rozšírenie výkonovej obálky zdrojov existujúceho HiPIMS zariadenia. Technológie NanoSpider si vyžadujú doplnenie jednotlivých technologických uzlov prípravy a charakterizácie polymérnych prekurzorov a post-procesingu. Analytické metódy je treba doplniť nasledovnými technikami: XPS, miniSIMS, miniRTG, Vysokorozlišovací analytický FE rastrovací elektrónový mikroskop zahŕňajúci EDS, WDS, SXE, XRF a EBSD analytické metódy a in-situ nanoindentor, RTG mikroskop s in-situ zaťažovacím zariadením, doplnenie zariadení na prípravu vzoriek pre SEM, EBSD a tenkých TEM fólií. Je žiadúce dobudovanie a vylepšenie možností merania mechanických, tribologických a iných vlastností, doplnenie zariadení na meranie zvyškových napätí, zaobstaranie ysokoteplotného tribometra, prípadne s vákuovou komorou. Taktiež bude potrebné dovybavenie mechanickej dielne.

  1. Biomateriály, hybridné a funkčné materiály
  • Biomateriály

V nasledujúcom období bude pokračovať výskum biomateriálových kompozitných systémov zložených z biopolymérnych zmesí a modifikovaných biocementových kompozitov obsahujúcich kalcium fosfátovú zložku, precipitujúcu z hydrogélového prostredia, ako aj horčíkových biocementových zmesí. Zámerom je v prípade biopolymérnych zmesí dokončenie in vitro testov vyvinutých implantovateľných veľkopórovitých systémov a zlepšovanie  ich vlastností spojených s procesmi hojenia defektov chrupiek ako aj súčasné presunutie na vyšší stupeň charakterizácie ich biologických vlastností orientovaných na regeneráciu chrupky prostredníctvom in vivo modelov v spolupráci s UVLF v Košiciach a klinickými ortopédmi. Predpokladáme vyvinutie a vedecký  príspevok k štúdiu a optimalizácii fyzikálno-chemických vlastností nových hydrogél/kalcium fosfátových biocemetov s koncentrovanými vápnikovými a fosforečnanovými iónmi  v hydrogéloch umožňujúcich biomimetickú precipitáciu kalcium fosfátov s cieľom mimikovať zloženie kostného tkaniva a napodobňovať osifikačné procesy tvorby kostného tkaniva prostredníctvom hydrogélovej zložky.

  • Funkčné tenké filmy

Výsledky štúdia syntézy, analýzy transformačných dejov pri príprave a vývoji mikroštruktúry  transparentných tenkých filmov na báze lantanoidov  (Ln = La, Nd, Sm, Eu a Gd) s nióbom a tantalom vo forme ortoniobičnanov LnNbO4 a ortotantaličnanov LnTaO4 pripravených sol-gel/spin-coating procesom na Si a Al2O3 substrátoch prispejú k rozšíreniu pomerne malých poznatkov o uvedených materiáloch a ich feroelastických filmoch z hľadiska ich možnej aplikácie napr.ako tuhých elektrolytov v elektrotechnickom priemysle.

  • Kompaktné, celulárne a penové materiály z práškov

V najbližších rokoch bude pozornosť venovaná aj povrchovej úprave nosných kompaktných, celulárnych a penových materiálov pripravených z práškových kovov a štúdiu vlastností takto povrchovo upravených materiálov. Pre aplikácie v medicíne bude výskum orientovaný na zvýšenie šetrnosti ku tkanivovým štruktúram špecifickými ostrovčekmi či povlakmi biokeramiky/biopolyméru deponovanými na povrch kovových biomateriálov. Pre špeciálne materiálové systémy určené pre technológie zamerané na uvoľňovanie či „spaľovanie“ vodíka sa budú modifikovať elektrokatalytické vlastnosti povrchov pomocou nových multifunkčných, nanoštrukturovaných povrchových vrstiev.

  • Nízkorozmerné materiály – vlákna, nanočastice

Bude pokračovať aj výskum zameraný na prípravu a analýzu vlastností nízkorozmerných materiálov (vlákna, nanočastice) na báze uhlíka s inkorporovanými časticami kovov a fosfidov kovov pripravených elektrospiningom z voľnej hladiny. Materiály sú určené pre aplikácie ako elektródové materiály pre širokú škálu energetických zariadení, vrátane elektroniky aj jej masovej aplikácie, elektrických vozidiel alebo pre stabilné uskladnenie elektrickej energie s vyššou hustotou energie, účinnosti a bezpečnosti.

  • Magneticky mäkké kompozity

V oblasti magneticky mäkkých kompozitov (SMC) bude pozornosť  orientovaná na aplikovaný výskum v spolupráci  so zahraničným partnerom a vývoj materiálov založených na feromagnetikách na báze práškových častíc železa a jeho magnetických zliatin povlakovaných fenol-formaldehydovou živicou. Budeme sa venovať výskumu progresívnych technológií kompaktizácie s cieľom minimalizovať pórovitosť a defekty štruktúry SMC materiálov a týmto zlepšiť ich mechanické a funkčné vlastnosti. V dlhodobom časovom horizonte sa budeme riešiť otázky implementácie technológií „additive manufacturing“ spojených s prípravou a výrobou komponentov na báze magneticky mäkkých materiálov.

  • Nanokompozitné PVD povlaky

Budú študované možnosti využitia duplex PVD povlakovania (nitridácia a PVD povlakovanie v jednom kontinuálnom procese) na vytvorenie vhodnej adhéznej a homogénnej povrchovej vrstvy, ktorá modifikuje povrchovú morfológiu a chémiu základného materiálu, pričom sa budú analyzovať vlastnosti nanokompozitných PVD povlakov aplikovaných na vzorky z ocele určenej pre prácu za tepla s laserovou predúpravou a testovanie ich mechanických, tribologických a chemických vlastnosti pri interakcii hliníkovej taveniny s materiálom formy (simulácia tlakového liatia Al-tavenín). Prioritné vlastnosti laserom upravených materiálov/strojných súčastí v kombinácii s duplex PVD povlakmi budú vysoká odolnosť voči opotrebeniu a vynikajúca ochrana pred tepelnými šokmi, čo sú podstatné faktory ovplyvňujúce technickú životnosť nástrojov/funkčných dielcov foriem pre tlakové liatie.

  • Multifunkčné multiferoiká

S cieľom skvalitniť výstupy výskumu v oblasti funkčných materiálových systémov plánujeme  venovať sa vývoju nových monofázových multifunkčných multiferoických materiálov Aurivilliového typu so silnou magnetoelektrickou väzbou pri izbovej teplote, ktoré sú perspektívne z hľadiska rozšírenia fundamentálneho poznania (magnetoelektrické multiferoiká patria medzi top 10 tém v súčasnom materiálovom výskume) a ich obrovského aplikačného potenciálu v mikroelektronike a spintronike. Prehĺbením doterajšej medzinárodnej spolupráce s významnými pracoviskami v Európe (QMUL Londýn, ICMM CSIC Madrid, DISAT Turín) a USA (Penn State) a plánovaným rozšírením kontaktov v oblasti multifunkčných magnetoelektrík s vedeckými inštitúciami v Ázii (Lanzhou University, Čína) očakávame zlepšenie prístupu k medzinárodnému financovaniu a nadnárodným projektom typu „networking“ (ERA/Horizon 2020).

 

RNDr. Pavol Hvizdoš, CSc.

riaditeľ ÚMV SAV